Summary
Denne undersøgelse introducerer en ny teknik til måling og analyse af vekslende hastigheder af blod mikrocirkulationen i en enkelt eksperiment ved hjælp af en laser speckle kontrast imager.
Abstract
Laser speckle kontrast imager (LSCI) giver en kraftfuld men enkel teknik til at måle microcirculatory blodgennemstrømning. Ideel til dynamisk svar blod, LSCI der bruges på samme måde som en konventionel Laser Doppler Imager (LDI). Dog med en maksimal hud dybde på ca. 1 mm, er LSCI designet til at fokusere på hovedsageligt overfladisk blodgennemstrømning. Det bruges til at måle overflade hudområder af op til 15 cm x 20 cm. Den nye teknik blev introduceret i dette papir konti for vekslende hastigheder på microcirculations; dvs. både langsom og hurtig flow flux måling ved hjælp af LSCI. Den nye teknik også overvinder LSCIS største mangel, som er høj følsomhed til artefakt bevægelse. En selvklæbende uigennemsigtig patch (AOP) er indført for tilfredsstillende optagelse af microcirculatory blodgennemstrømning, ved at fratrække LSCI signalet fra AOP fra laser speckle hud signal. Den optimale indstilling defineres også, fordi LSCI er mest magtfulde når flux ændringer er målt i forhold til en reference baseline, med blod microcirculatory flux udtrykt som en procentdel ændring fra baseline. Disse ændringer kan bruges til at analysere status for blood flow system.
Introduction
Laser Speckle kontrast Imaging (LSCI) er en bevist ikke-kontakt, realtid overvåge metode til at analysere blod flow mikrocirkulationen1,2,3,4,5,6 , 7. the LSCI anvendes i dette papir er moorFLPI fuld felt. Måling af blod flow perfusion i store områder med høj rumlige og tidsmæssige opløsning ved hjælp af et fænomen kaldet "laser speckle" er en af de vigtigste fordele ved denne enhed6. Den real-time vurdering af mikrocirkulationen sker gennem erobrede mønstre via et kamera ved hjælp af spredte speckle mønstre. Betragtning af at moorFLPI LSCI er beregnet til kliniske og fysiologiske forskning, virker billedbehandling software på det faktum, at høj perfusion producerer hurtige variation i laser speckle mønster, som derefter er integreret af opkrævet kombineret enhed (CCD) at skabe et område med lav kontrast8. Kontrasten er kvantificeret og den resulterende flux er farvekodet for at producere en perfusion billede8.
Desværre, LSCI er meget følsomme over for miljømæssige vibrationer, artefakt og bevægelse af emne område9. Indtil dette har givet udfordrende når skiftende flow stater er blevet studeret. Dette dokument forklarer detaljerne i den eksplicitte teknik beskrevet i en nylig undersøgelse10 hvor en neuromuskulære elektrisk Stimulation enhed blev brugt til at måle blod mikrocirkulationen, når der var bevægelse af lemmer bliver undersøgt.
Protocol
metoden rapporteret blev udnyttet i en undersøgelse, der modtog etisk godkendelse fra den Bournemouth Universitet videnskabsetisk komité på den 9 februar 2016 (Reference 10571).
1. LSCI sat op
- forbinde moorFLPI LSCI bagpanelet til sine tre stikkontakter (strømforsyning, Universal Serial Bus (USB) og IEEE1394) system til at fungere.
- Samle Desktop støtte Arm ved hjælp af 4 skruer med moorFLPI LSCI vendt op og ned, og fast støtte arm.
- Roterer monteringsbeslag for nedadgående imaging når knyttet.
Bemærk: LSCI har tre kontrolelementer: (1) zoom adjuster – med imager sat i stand, mindre forstørrelse kan justeret til maksimale og minimale indstillinger for små og større felter Se henholdsvis. For at sikre repeterbarhed, tilbydes en indeksering ring etiket; (2) fokus adjuster – dette er afhængig af måling afstand og skal justeres efter billedplaceringen er indstillet. For at sikre repeterbarhed, tilbydes en indeksering ring etiket; og (3) en polarisator – en lineær polariserende filter er tilgængelige til at minimere specular reflektion fra udsatte organer – den roterende mount kan drejes 360 °. - Installere software til at styre kameraet. Softwaren er opdelt i to moduler giver en måling og revision funktion.
2. Deltager forberedelse
- sikre vurderingen udføres i en temperatur kontrolleret rum (22 ± 1 ° C), og at deltagerne sidder i 10 minutter inden prøvningen for at tilpasse sig stuetemperatur.
- Undgå en stærk kilde til kunstigt lys og sollyset skinner på deltageren eller LSCI, som omgivende lys kan påvirke moorFLPI nær infrarød Laserkilde opererer på 785 nm.
Bemærk: En simpel test for at bekræfte, hvorvidt omgivende lys niveauer er acceptable er ved at åbne opsætningsvinduet af imaging og hindrer laser. Hvis billedet er næsten helt sort så er ingen yderligere skridt nødvendige; Hvis der er stadig for meget omgivende lys dag, yderligere handling er påkrævet. - Sikre deltagerne er afslappet i hele vurderingen, med deres fødder fladt på jorden, hvis siddende og undgå samtaler.
- Plads 8 cm 2 af selvklæbende uigennemsigtig patch (AOP) (fx Leukotape) på det hudområde afmaske blodgennemstrømningen. Dette er gjort til konto til ulempe for LSCI i form af høj følsomhed til artefakt bevægelse, og signal backscatter vil blive brugt til måling af microcirculatory blodgennemstrømningen.
3. Mikrocirkulationen billede måling
- Vælg ' rumlige forarbejdning ' for 25 frames per second opsamling på 152 x 113 pixels.
- Vælg ' Live billede måling ' og justere placeringen af imager 20 cm fra deltageren efterfulgt af justering af zoom, fokus og polarisator for minimal specular reflektion. Billedet skal vises ganske ' flad ' og konturløse.
- Sat en eksponeringstid på 20 ms for høj følsomhed til små ændringer og lav flux.
- Bruger en display 25 Hz og en tid konstant 0,3 s at tage højde for hurtig blood flow ændringer, og at opnå optimale kontrast gennem reducere billedstøj.
- Skabe to lige store (2 cm 2) regioner af interesse (ROI), opkaldt ROI 1 og ROI 2. Juster ROI 2, så det er indenfor 8 cm 2 AOP. Tage sig så at ROIs ikke ombytning men holdt tæt inden for 2-4 cm til at reducere behovet for re centrering, hvis nogen mekanisk bevægelse medfører, ROI 2 ikke længere er i området AO.
Bemærk: Blood flowmåling bliver mindre præcis i lav og høj intensitet områder, så det er vigtigt at have en optimal gevinst indstilling. Gevinst værdi svinger mellem 0 - 200. En optimal gevinst indstillingsværdien er opnået inden for rækkevidde af 70-80. - Udføre flux målinger i forhold til en reference baseline. I forbindelse med denne metode, indføre ' resten ' fase som en reference baseline. Derfor udtrykke en ' hurtig ' og ' langsomme ' fase blod flyde som en procentdel ændre fra en grundlinje, ' resten ' etape.
- Optage blod flowmåling i video-format og gemme for offline analyse ved hjælp af et billede anmeldelse modul.
4. Offline analyse
Bemærk: moorFLPI billed gennemsyn programmel tillader åbning af en video til at udføre analysen.
- Beregn den gennemsnitlige flux inden for ROIs efter en række optagelser af gennemsnitlig blodgennemstrømning. ROI 1 er den rigtige måling af huden blodgennemstrømningen og ROI 2 er backscattered laser speckle hud signal fra AOP.
- Beregner den gennemsnitlige blodgennemstrømning ved at fratrække ROI 2 fra ROI 1 (hud blodgennemstrømning).
ROI 1 - ROI 2 = gennemsnitlig blodgennemstrømningen
Representative Results
LSCI eksperimentel oprettet er skitseret i figur 1 med funktionelle værktøjer identificeret. En typisk deltager forberedelse af en måling af blodgennemstrømningen på et område af det forreste låret er illustreret. Justerbare monteringsbeslag tillader rotation af LSCI til måling af blodgennemstrømningen i microvasculature af nogen bestemt hudområde. Figur 2 beskriver et eksempel på en typisk rå speckle billede og konverterede speckle billede med skræddersyede indstillinger skitseret i protokollen til måling af blod mikrocirkulationen.
Figur 3 viser et eksempel på hudområde og placering af AOP (trin 3.1), LSCI rå imaging setup (trin 3.2), en levende billede for langsom blodgennemstrømning (trin 3.3) og et levende billede for en hurtig blodgennemstrømning (trin 3,4) opnået i en kontinuerlig dataregistrering af en vekslende flux os ING moorFLPI LSCI. Paletten farvekodningen indstilling giver mulighed for differentiering mellem flux niveauer. Med den standard palet med 16 farver ses lav flux som blå, medium flux værdier ses som grønne og høj flux værdier ses som orange og rød.
Huden blodgennemstrømningen er udtrykt i laser speckle perfusion enheder (LSPU). Figur 4 viser en grafisk repræsentation af ROI 1, ROI 2 og AOP på et område af huden. Den gennemsnitlige blodgennemstrømning beregnes i offline analyse ved hjælp af data fra ROI 1 og ROI 2 og ligning (1).
Figur 1: moorFLPI LSCI eksperimentelle sæt up. Desktop support arm, kabel udgange, position kontrol (zoom adjuster, fokus justering og polarisator), AOP og laptop for konfiguration af billede indstilling. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: rå speckle billede før dataregistrering. 2.1 - 2.2) flux og rå speckle billeder af en dårligt konfigurerede indstilling resulterer i en høj gevinst med dårlig sigtbarhed, hvilket vil resultere i en mindre nøjagtig blod flowmåling. 2.3 - 2,4) System konfigureret som pr protokol, hvilket resulterer i en korrekt gevinst med maksimal synlighed for et pålideligt resultat. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: en oversigt over opsætningen og post måling ved hjælp af moorFLPI LSCI. 3.1. et område af huden (lår) med en 2 cm2 AOP redegøre for artefakt bevægelse. 3.2) en rå speckle 'flade og konturløse' billedet angiver god backscatter lysintensiteten med optimal indstilling. 3.3) en live-billede optagelse af en langsom blodgennemstrømning. 3.4) en live-billede optagelse af en hurtig blodgennemstrømning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: grafisk repræsentation af ROI 1, ROI 2 og AOP layoutet på et område af huden. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Resten (Baseline Reference) (LSPU) | Langsom blodgennemstrømning (LSPU) | Moderat blodgennemstrømning (LSPU) | Hurtig Blood Flow (LSPU) | |||||||||||
| Betyde Flux - ROI 1 | Betyde Flux - ROI 2 | Betyde blodgennemstrømning | Betyde Flux - ROI 1 | Betyde Flux - ROI 2 | Betyde blodgennemstrømning | Blodgennemstrømningen stigning % fra Baseline | Betyde Flux - ROI 1 | Betyde Flux - ROI 2 | Betyde blodgennemstrømning | Blodgennemstrømningen stigning % fra Baseline | Betyde Flux - ROI 1 | Betyde Flux - ROI 2 | Betyde blodgennemstrømning | Blodgennemstrømningen stigning % fra Baseline |
| 157.9 | 35.1 | 122.8 | 178,5 | 41,6 | 136.9 | 10.9 | 216.9 | 44,6 | 172.3 | 33,5 | 418.9 | 77,5 | 341.4 | 94,2 |
Tabel 1: betyde flux i LSPU for ROI 1 og ROI 2 ved baseline, langsomt, moderat og hurtigt blodgennemstrømningen. Blood flow stigning er udtrykt som en procentvis ændring fra en baseline fase.
Figur 5: eksempel på ROI 1 og ROI 2 positionering på et hud areal (lår). En 16-farver palette skitserer lavers af perfusions. Data er registreret for ROI 1 og ROI 2 i perfusion enheder og fratrækkes som forklaret i ligningen 1 for måling af blod mikrocirkulationen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Formålet med denne undersøgelse var at indføre en ny teknik til måling og analyse af vekslende hastigheder af blod mikrocirkulationen i en enkelt eksperiment ved hjælp af LSCI. Målinger kan påvirkes af omgivende lys, vibration og deltager bevægelse herunder vejrtrækning og trækninger. Trinene i protokollen har alle været designet til at minimere disse virkninger og opnå pålidelige og repeterbare målinger af blod mikrocirkulationen.
Det understreges, at hvert trin i protokollen er afgørende for en nøjagtig måling af blod mikrocirkulationen, den teknik blev indført var opdaget følgende sekventielle testning af alle mulige indstillingsmuligheder og kombinationer tilgængelige herunder: tid konstant, zoomindstilling, eksponeringstid, vise sats, gevinst og flux billede palet. Resultaterne blev analyseret og gentages ved hjælp af live video display og offline analyse til at finde den optimale Billeddannende setup. Det var afgørende, da billedbehandling software bruger, at høj perfusion producerer hurtige variation i laser speckle mønster, og som følge heraf en lav kontrast område af veldefinerede speckle er produceret i videobilledet. Perfusion billede oprettes derefter i et farvekodede kort over microcirculatory perfusion.
Eksperimentelle område og deltagelse forberedelse er fundet for at være afgørende, og dette kan kontrolleres ved at undgå at arbejde i nærheden af kilder til dagslys (vindue) eller stærk kunstige lyskilder, som disse kan forstyrre moorFLPI nær infrarød Laserkilde. Protokollen også indført en AOP som det blev erkendt, at de miljømæssige vibrationer og bevægelse af deltager både generere signaler, der er umulig at skelne fra blodgennemstrømning. AOP viste sig for at være en enkel, men effektiv valg, tilbyder en tynd men uigennemsigtig, lys og tilgængelig indstilling, der havde en mikroskopisk ru overflade område at undgå betydelig specular reflektion. Indledende undersøgelser af Omarjee et al. 11 fremhæver en potentiel begrænsning som Leukotape skaber en refleksion signal amplitude anderledes end huden og varierer betydeligt mellem fag; men Mahe et al. 1 fundet nogen drastisk forskel mellem deltagerne. Selvom Leukotape er mere tilgængeligt end andre skræddersyede, tolagede selvklæbende lapper, kan rigtigheden af ligning (1) måling styrkes ved hjælp af en alternativ AOP.
Afsnittet offline analyse fremhævet betydningen af størrelser af ROIs og deres placering inden for området af interesse. I første omgang, blev en større Investeringsafkast 1, ca 8 cm2, forsøgt som overlejret ROI 2. Denne metode blev hurtigt un-pålidelige på grund af artefakt bevægelse resulterer i ROI 2 flytning og levende forsøget skulle stoppes for at re center ROI 2. En anden kort kommer var, på grund af ROI 1 overliggende AOP, den gennemsnitlige flux tog ikke længere området under AOP ind på en konto, som ikke længere var et backscattered signal. Dette betød en stor del af blod mikrocirkulationen var bliver overset og derfor resulterende flux data ikke var korrekte. Derfor giver en metode i hvilke to ROIs 2 cm2, med en AOP 8 cm2 og ingen interaktion mellem ROI 1 og ROI 2 (men holdes inden for 2-4 cm af hinanden), en pålidelig og repeterbare analyse teknik til måling af blod mikrocirkulationen.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Forfatterne har ingen anerkendelser.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| moorFLPI LSCI | Moor Instruments | Not Available - Online Link Provided in descreption | moorFLPI is an instrument designed for the measurment of blood flow within microvasculature by using infra red laser speckle contrast analysis. https://gb.moor.co.uk/ |
| moorFLPI Image Review Module | Moor Instruments | No Available - Online Link Provided | Used with moorFLPI, user can record and measure changes in blood flow by changerating a colour coded map of tissue perfusion. https://gb.moor.co.uk/ |
| Leukotape | BSN Medical | 72978-10 | Medical tape with microporous surface. http://www.bsnmedical.co.uk/fileadmin/z-countries/United_Kingdom/PDF/L/Leukotape_K_A46PP_low_res_11112013.pdf |
References
- Mahe, G., Rousseau, P., Durand, S., Leftheriotis, G., Abraham, P. Laser speckle contract imaging accurately measures blood flow over moving skin surfaces. Microvas Res. 81 (2), 183-188 (2010).
- Rousseau, P., et al. Increasing the "region of interest" and "time of interest", both reduce the variability of blood flow measurements using laser speckle contrast imaging. Microvas Res. 82, 88-91 (2011).
- Hecht, N., Woitzik, J., Dreier, J., Vajkoczy, P. Intraoperative monitoring of cerebral blood flow by laser speckle contrast analysis. Neurosurg Focus. 27 (4), 1-6 (2009).
- Mahe, G., Durand, S., Humeau-Heurtier, A., Leftheriotis, G., Abrham, P. Impact of experimental conditions on noncontact laser recordings in microvascular studies. Microcirculation. 19 (8), 669-675 (2012).
- Cheng, H., Duong, T. Q. Simplified laser-speckle-imaging analysis method and its application to retinal blood flow imaging. Opt Lett. 32 (15), 2188-2190 (2007).
- Doherty, J., McNamara, P., Clancy, N. T., Enfield, J. G., Leahy, M. J. Comparison of instruments for investigation of microcirculatory blood flow and red blood cell concentration. J Biomed Opt. 14 (3), 034025 (2009).
- Briers, D. J. Laser speckle contrast imaging for measuring blood flow. Opt Appl. 37 (1), 139-152 (2007).
- moorFLPI User Manual. (8), Moor Instrument Limited. Devon, UK. (2012).
- Mahe, G., Durand, S., Humeau-Heurtier, A., Abraham, P. Impact of Experimental Conditions on Noncontact Laser Recordings in Microvascular Studies. Microcirculation. 19, 669-675 (2012).
- Bahadori, S., Immins, T., Wainwright, T. The effect of calf neuromuscular electrical stimulation and intermittent pneumatic compression on thigh microcirculation. Micro Res. 111, 37-41 (2017).
- Omarjee, L., et al. Optimisation of movement detection and artifact removal during laser speckle contrast imaging. Miscrovas Res. 97 (1), 75-80 (2015).
